Исследователи из Датского технического университета разработали важное покрытие для подводных дронов и платформ с солнечными элементами. Оно не будет окрашивать дроны в разные цвета, а будет действовать как самополирующийся слой, который защищает встроенные солнечные элементы дронов от водорослей и других обрастаний, когда они находятся на миссиях ниже уровня моря.
Разработка прозрачного покрытия
Прозрачное покрытие было разработано профессором Сореном Килем из Датского технического университета химической инженерии в сотрудничестве с доцентом Нараянаном Раджагопалом, менеджером лаборатории Клаусом Эриком Вейнелом и группой студентов. Оно позволяет солнечной энергии проходить через него, одновременно предотвращая затенение солнечных элементов водорослями и другими обрастаниями.
Применение подводных дронов
Подводные дроны используются для различных задач в Мировом океане, включая обследование морского дна, наблюдение и другие инспекции. Но для того чтобы дроны могли функционировать, они должны иметь возможность поглощать солнечную энергию, когда позиционируются на поверхности океана.
Задача от Управления военно-морских исследований
Управление военно-морских исследований, которое разрабатывает программы в области науки и техники для ВМС и Корпуса морской пехоты США, обратилось к DTU и некоторым компаниям с просьбой предложить решение проблемы обрастания солнечных элементов.
«Через несколько недель у меня появилась идея, и я собрал команду. Экспериментальные исследования и испытания на нашей испытательной станции в гавани Хундестед доказали, что идея работает. Наше покрытие функционирует до трёх месяцев без необходимости механической очистки от обрастаний», — говорит Киль.
Тестирование покрытия
Исследовательская группа отправила прозрачные панели с недавно разработанным покрытием во Флориду, где Управление военно-морских исследований провело испытания покрытия, поместив панели под воду, с последующей оценкой работы солнечных элементов.
Вызовы при разработке покрытия
Покрытия, отталкивающие водоросли, уже широко используются в морском секторе. Около 90% коммерческих судов используют химически активные покрытия для защиты днища судов (антиобрастающие покрытия), которые состоят из сложных химических составов с микроскопическими частицами. Основной задачей было выяснить, как такое покрытие можно использовать на солнечных элементах.
«Создать покрытие, которое было бы одновременно прозрачным и защищено от обрастания, сложно. В покрытие трудно что-то добавить, потому что это мешает прохождению света», — объясняет Киль.
Поэтому исследовательской группе пришлось найти идеальный состав. Когда их недавно разработанное покрытие вступает в контакт с морской водой, начинается эффект самополировки, при котором внешние частицы в покрытии постепенно растворяются и заменяются новыми активными частицами, которые действуют как своего рода барьер против обрастания. Таким образом, в течение всего срока службы покрытия новые частицы будут постоянно готовы бороться с обрастанием по мере растворения верхнего слоя частиц.
Результаты исследований
Существующие методы предполагают, что пигментно-защитный слой будет блокировать солнечные лучи, поэтому исследователям пришлось найти новый метод. Рецепт оказался вдохновлён статьёй 20-летней давности, в которой предсказывалось, что, сделав уже мелкие частицы в покрытии ещё меньше, с микрометров до нанометров, частицы станут достаточно маленькими, чтобы не оставлять после себя пористый слой, лишённый пигмента, который бы мешал солнечному свету достигать солнечных элементов. Это позволяет солнечным элементам поглощать энергию, в то время как частицы удерживают обрастания.
«Мы уменьшили размер частиц и количество ингредиентов настолько, чтобы покрытие стало прозрачным. Оказывается, наночастицы оксида меди (I) и оксида цинка особенно эффективны против обрастания, потому что они крошечные. Даже в ультранизких концентрациях они присутствуют в покрытии в очень большом количестве с очень маленьким расстоянием между отдельными частицами. Поэтому усоногие и водоросли воспринимают покрытие как барьер, отталкивающий их», — говорит Киль.
Потенциал использования
Не только ВМС США могут извлечь выгоду из этого изобретения: в Северном море солнечные элементы плавают вместе с движением волн как часть будущих решений в области зелёной энергетики. Хотя большинство солнечных элементов находятся на крышах и на солнечных фермах, квадратные панели, которые используют солнечную энергию для производства электричества, также можно размещать в океане.
В настоящее время глобальная мощность плавучих солнечных элементов составляет всего около 4 000 мегаватт (МВт), но ожидается, что к 2030 году она увеличится до 30 000 МВт. Для сравнения, общая мощность, включая наземные солнечные элементы, в 2024 году достигла 2 миллионов МВт. Хотя количество плавучих и подводных солнечных элементов — это лишь капля в море по сравнению с общей мощностью, они предлагают возможность использовать открытое океанское пространство и существующую инфраструктуру, например, между морскими ветровыми турбинами.
Однако, как и в случае с дронами, подводные солнечные элементы также будут заблокированы обрастаниями, и существует риск того, что волны создадут благоприятные условия для обрастания плавучих платформ с солнечными элементами. Поэтому исследователи DTU также видят потенциал в использовании нового покрытия на солнечных элементах под водой и на поверхности моря. Однако сейчас следующей задачей является разработка покрытия, которое также будет работать на подводных датчиках и камерах, что требует ещё более сложного состава.
Предоставлено Датским техническим университетом.